µC/OS-II内存管理-优快云博客

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内存管理

我们知道，在ANSI C中可以用malloc()和free()两个函数动态地分配内存和释放内存。但是，在嵌入式实时操作系统中，多次这样做会把原来很大的一块连续内存区域，逐渐地分割成许多非常小而且彼此又不相邻的内存区域，也就是内存碎片。由于这些碎片的大量存在，使得程序到后来连非常小的内存也分配不到。在4.02节的任务堆栈中，我们讲到过用malloc()函数来分配堆栈时，曾经讨论过内存碎片的问题。另外，由于内存管理算法的原因，malloc()和free()函数执行时间是不确定的。

在µC/OS-II中，操作系统把连续的大块内存按分区来管理。每个分区中包含有整数个大小相同的内存块，如同图F7.1。利用这种机制，µC/OS-II 对malloc()和free()函数进行了改进，使得它们可以分配和释放固定大小的内存块。这样一来，malloc()和free()函数的执行时间也是固定的了。

如图 F7.2，在一个系统中可以有多个内存分区。这样，用户的应用程序就可以从不同的内存分区中得到不同大小的内存块。但是，特定的内存块在释放时必须重新放回它以前所属于的内存分区。显然，采用这样的内存管理算法，上面的内存碎片问题就得到了解决。

图 F7.1 内存分区——Figure 7.1

图 F7.2 多个内存分区——Figure 7.2

内存控制块

为了便于内存的管理，在µC/OS-II中使用内存控制块（memory control blocks）的数据结构来跟踪每一个内存分区，系统中的每个内存分区都有它自己的内存控制块。程序清单L7.1是内存控制块的定义。

程序清单 L7.1 内存控制块的数据结构

typedef struct {

void *OSMemAddr;

void *OSMemFreeList;

INT32U OSMemBlkSize;

INT32U OSMemNBlks;

INT32U OSMemNFree;

} OS_MEM;

.OSMemAddr是指向内存分区起始地址的指针。它在建立内存分区[见7.1节，建立一个内存分区，OSMemCreate()]时被初始化，在此之后就不能更改了。

.OSMemFreeList是指向下一个空闲内存控制块或者下一个空闲的内存块的指针，具体含义要根据该内存分区是否已经建立来决定[见7.1节]。

.OSMemBlkSize是内存分区中内存块的大小，是用户建立该内存分区时指定的[见7.1节]。

.OSMemNBlks是内存分区中总的内存块数量，也是用户建立该内存分区时指定的[见7.1节]。

.OSMemNFree是内存分区中当前可以得空闲内存块数量。

如果要在µC/OS-II中使用内存管理，需要在OS_CFG.H文件中将开关量OS_MEM_EN设置为1。这样µC/OS-II 在启动时就会对内存管理器进行初始化[由OSInit()调用OSMemInit()实现]。该初始化主要建立一个图 F7.3所示的内存控制块链表，其中的常数OS_MAX_MEM_PART（见文件OS_CFG.H）定义了最大的内存分区数，该常数值至少应为2。

图 F7.3 空闲内存控制块链表——Figure 7.3

建立一个内存分区，OSMemCreate()

在使用一个内存分区之前，必须先建立该内存分区。这个操作可以通过调用OSMemCreate()函数来完成。程序清单 L7.2说明了如何建立一个含有100个内存块、每个内存块32字节的内存分区。

程序清单 L7.2 建立一个内存分区

OS_MEM *CommTxBuf;

INT8U CommTxPart[100][32];

void main (void)

{

INT8U err;

OSInit();

CommTxBuf = OSMemCreate(CommTxPart, 100, 32, &err);

OSStart();

}

程序清单 L7.3是OSMemCreate()函数的源代码。该函数共有4个参数：内存分区的起始地址、分区内的内存块总块数、每个内存块的字节数和一个指向错误信息代码的指针。如果OSMemCreate()操作失败，它将返回一个NULL指针。否则，它将返回一个指向内存控制块的指针。对内存管理的其它操作，象OSMemGet()，OSMemPut()，OSMemQuery()函数等，都要通过该指针进行。

每个内存分区必须含有至少两个内存块[L7.3(1)]，每个内存块至少为一个指针的大小，因为同一分区中的所有空闲内存块是由指针串联起来的[L7.3(2)]。接着，OSMemCreate()从系统中的空闲内存控制块中取得一个内存控制块[L7.3(3)]，该内存控制块包含相应内存分区的运行信息。OSMemCreate()必须在有空闲内存控制块可用的情况下才能建立一个内存分区[L7.3(4)]。在上述条件均得到满足时，所要建立的内存分区内的所有内存块被链接成一个单向的链表[L7.3(5)]。然后，在对应的内存控制块中填写相应的信息[L7.3(6)]。完成上述各动作后，OSMemCreate()返回指向该内存块的指针。该指针在以后对内存块的操作中使用[L7.3(6)]。

程序清单 L7.3 OSMemCreate()

OS_MEM *OSMemCreate (void *addr, INT32U nblks, INT32U blksize, INT8U *err)

{

OS_MEM *pmem;

INT8U *pblk;

void **plink;

INT32U i;

if (nblks < 2) { (1)

*err = OS_MEM_INVALID_BLKS;

return ((OS_MEM *)0);

}

if (blksize < sizeof(void *)) { (2)

*err = OS_MEM_INVALID_SIZE;

return ((OS_MEM *)0);

}

OS_ENTER_CRITICAL();

pmem = OSMemFreeList; (3)

if (OSMemFreeList != (OS_MEM *)0) {

OSMemFreeList = (OS_MEM *)OSMemFreeList->OSMemFreeList;

}

OS_EXIT_CRITICAL();

if (pmem == (OS_MEM *)0) { (4)

*err = OS_MEM_INVALID_PART;

return ((OS_MEM *)0);

}

plink = (void **)addr; (5)

pblk = (INT8U *)addr + blksize;

for (i = 0; i < (nblks - 1); i++) {

*plink = (void *)pblk;

plink = (void **)pblk;

pblk = pblk + blksize;

}

*plink = (void *)0;

OS_ENTER_CRITICAL();

pmem->OSMemAddr = addr; (6)

pmem->OSMemFreeList = addr;

pmem->OSMemNFree = nblks;

pmem->OSMemNBlks = nblks;

pmem->OSMemBlkSize = blksize;

OS_EXIT_CRITICAL();

*err = OS_NO_ERR;

return (pmem); (7)

}

图 F7.4是OSMemCreate()函数完成后，内存控制块及对应的内存分区和分区内的内存块之间的关系。在程序运行期间，经过多次的内存分配和释放后，同一分区内的各内存块之间的链接顺序会发生很大的变化。

分配一个内存块，OSMemGet()

应用程序可以调用OSMemGet()函数从已经建立的内存分区中申请一个内存块。该函数的唯一参数是指向特定内存分区的指针，该指针在建立内存分区时，由OSMemCreate()函数返回。显然，应用程序必须知道内存块的大小，并且在使用时不能超过该容量。例如，如果一个内存分区内的内存块为32字节，那么，应用程序最多只能使用该内存块中的32字节。当应用程序不再使用这个内存块后，必须及时把它释放，重新放入相应的内存分区中[见7.03节，释放一个内存块，OSMemPut()]。

图 F7.4 OSMemCreate()——Figure 7.4

程序清单 L7.4是OSMemGet()函数的源代码。参数中的指针pmem指向用户希望从其中分配内存块的内存分区[L7.4(1)]。OSMemGet()首先检查内存分区中是否有空闲的内存块[L7.4(2)]。如果有，从空闲内存块链表中删除第一个内存块[L7.4(3)]，并对空闲内存块链表作相应的修改 [L7.4(4)]。这包括将链表头指针后移一个元素和空闲内存块数减1[L7.4(5)]。最后，返回指向被分配内存块的指针[L7.4(6)]。

程序清单 L7.4 OSMemGet()

void *OSMemGet (OS_MEM *pmem, INT8U *err) (1)

{

void *pblk;

OS_ENTER_CRITICAL();

if (pmem->OSMemNFree > 0) { (2)

pblk = pmem->OSMemFreeList; (3)

pmem->OSMemFreeList = *(void **)pblk; (4)

pmem->OSMemNFree--; (5)

OS_EXIT_CRITICAL();

*err = OS_NO_ERR;

return (pblk); (6)

} else {

OS_EXIT_CRITICAL();

*err = OS_MEM_NO_FREE_BLKS;

return ((void *)0);

}

值得注意的是，用户可以在中断服务子程序中调用OSMemGet()，因为在暂时没有内存块可用的情况下，OSMemGet()不会等待，而是马上返回NULL指针。

释放一个内存块，OSMemPut()

当用户应用程序不再使用一个内存块时，必须及时地把它释放并放回到相应的内存分区中。这个操作由OSMemPut()函数完成。必须注意的是，OSMemPut()并不知道一个内存块是属于哪个内存分区的。例如，用户任务从一个包含32字节内存块的分区中分配了一个内存块，用完后，把它返还给了一个包含120字节内存块的内存分区。当用户应用程序下一次申请120字节分区中的一个内存块时，它会只得到32字节的可用空间，其它88字节属于其它的任务，这就有可能使系统崩溃。程序清单 L7.5是OSMemPut()函数的源代码。它的第一个参数pmem是指向内存控制块的指针，也即内存块属于的内存分区[L7.5(1)]。OSMemPut()首先检查内存分区是否已满[L7.5(2)]。如果已满，说明系统在分配和释放内存时出现了错误。如果未满，要释放的内存

UC/OS-II-7.0